Název operační zesilovače (OZ) pochází z původní funkce, tedy provádění různých matematických operací v analogových počítačích.

Od té doby se konstrukce OZ velmi změnila, ale základní požadavky zůstávají stejné.

Ideální OZ by měl mít následující parametry:

Nekonečně velké zesílení, nekonečně velkou vstupní impedanci, nulovou výstupní impedanci a nekonečně vysokou rychlost přeběhu. V praxi nelze samozřejmě těchto parametrů dosáhnout, proto se můžeme setkat např. s nízkošumovými OZ, které se používají ve vstupních obvodech, vysokofrekvenčními OZ nebo výkonovými OZ.
V současné době se OZ vyrábějí jako integrované obvody často technologií BIFET nebo BIMOS a v jednom pouzdře mohou být až čtyři. Protože jedním ze základních požadavků je zpracování stejnosměrných signálů, musí být OZ napájeny symetrickým napájecím napětím (např. ± 15V).
Každý OZ má dva vstupy invertující (-) a neivertující (+), jeden výstup, vývody pro kladné (+Ucc) a záporné (-Ucc) napájecí napětí a případně další pomocné vývody pro nastavení symetrie nebo kmitočtovou kompenzaci. Číslování i zapojení vývodů se u jednotlivých typů OZ může odlišovat.

Vlastnosti

Při použití OZ musíme vzít v úvahu reálné vlastnosti, které nemohou dosahovat výše uvedených hodnot ideálního OZ. Kromě toho je třeba počítat s některými omezeními a nedostatky danými použitou technologií a fyzikálními vlastnostmi polovodičů.

• Vstupní napěťová nesymetrie
  Protože vstupní obvody nejsou nikdy naprosto stejné objevuje se na výstupu napětí i když je na obou vstupech napětí shodné. Kromě toho dochází ke změnám vstupní napěťové nesymetrie i v závislosti na teplotě (teplotní drift), proto je třeba nesymetrii kompenzovat až po zahřátí OZ na provozní teplotu.
• Vstupní klidový proud
  Je způsoben nestejně velkými vstupními proudy. Na výstupu se projevuje nenulovým napětím a je teplotně závislý, podobně jako v předchozím případě. OZ vyrobené technologií BIFET nebo BIMOS mají velmi malé vstupní proudy a tím i výhodnější vlastnosti. Aby se vliv vstupních proudů projevil co nejméně je třeba zařadit do obou vstupů shodné rezistory. V praxi to lze obtížně zajistit, je to však velmi důležité při použití velkých hodnot odporu.
• Kmitočtová kompenzace
  Při zesilování střídavého napětí se směrem k vyšším kmitočtům snižuje zesílení a mění fáze signálu. To bývá příčinou nestability. Pokud se totiž fáze změní až o 180°, změní se původně záporná zpětná vazba na kladnou a OZ se rozkmitá. Proto se zavádí kmitočtová kompenzace. Některé OZ mají kmitočtovou kompenzaci vnitřní (uvnitř pouzdra), k ostatním se připojují pasivní součástky podle doporučení výrobce.
• Rychlost přeběhu
  Znamená rychlost změny výstupního napětí jakou dokáže OZ reagovat na skokovou změnu vstupního napětí. Udává se ve voltech za mikrosekundu (V/μs). Čím vyšší je toto číslo, tím je větší šířka přenášeného pásma a nižší nelineární zkreslení.

Katalogové údaje

• Pouzdra OZ mohou být různá. Nejčastěji se používá plastových osmi nebo čtrnácti vývodových pouzder (DIL), případně kovových osmivývodových pouzder (TO-99). V jednom pouzdře mohou být umístěny až čtyři OZ.
  
• Pouzdra DIL jsou číslována při pohledu shora, pouzdra TO99 jsou číslována při pohledu zespoda.
• Kromě vývodových pouzder se používají také pouzdra pro povrchovou montáž (SMT).
• V katalogu jsou uváděny například následující mezní údaje: Napájecí napětí, rozdílové vstupní napětí, vstupní napětí, ztrátový výkon, rozsah pracovních teplot, odolnost proti zkratu, apod. Při překročení mezních hodnot hrozí zničení OZ.
• Charakteristické údaje popisují vlastnosti OZ. Kromě nominálních (typických) hodnot jsou uváděny také minimální nebo maximální hodnoty, které výrobce zaručuje.V následující tabulce jsou pro porovnání uvedeny některé charakteristické údaje bipolárního OZ typu LM741, OZ se vstupem JFET typu TL084 a ideálního OZ. V katalogu jsou uvedeny také podmínky, při kterých charakteristické údaje platí.
  

  parametr	jednotka	LM741	TL084	ideální OZ
  vstupní napěťová nesymetrie	mV	1	3	0
  vstupní proudová nesymetrie	nA	20	2	0
  vstupní klidový proud	nA	80	7	0
  vstupní odpor	MΩ	2	106	∞
  napěťové zesílení bez zpětné vazby		200 000	200 000	∞
  napájecí proud	mA	1,7	2,8	0
  šířka pásma	MHz	1,5	3	∞
  teplotní drift napěťové nesymetrie	µV/ºC	15	10	0

Konstrukční požadavky

• Napájecí napětí (kladné i záporné) je vhodné blokovat kondenzátory kapacity 100 nF, případně i elektrolytickými kondenzátory kapacity 10 až 100 μF. Uvedené opatření je důležité hlavně pokud jsou přívody ke zdroji delší nebo když OZ zpracovává vyšší kmitočty.
• Pokud OZ neobsahuje prvky kmitočtové kompenzace uvnitř pouzdra je třeba připojit rezistory a kondenzátory podle doporučení výrobce.
• Některé typy OZ umožňují pomocí vnějších pasivních součástek kompenzovat napěťovou a proudovou nesymetrii. Způsob kompenzace závisí na doporučení výrobce.
  

Neinvertující zesilovač

Vstupní napětí se přivádí do neinvertujícího vstupu (+) a invertující vstup (-) je připojen k odporovému děliči složenému z rezistorů R1 a Rzp. U neinvertujícího zesilovače je vstupní signál ve fázi s výstupním a zesílení je vždy větší než jedna.

Významnou vlastností tohoto zapojení je vysoký vstupní odpor (nedochází k zatěžování zdroje signálu připojeného na vstup).

Krajní variantou je zapojení bez R1 i Rzp, kde je invertující vstup přímo spojen s výstupem. Takové zapojení má zesílení 1 a používá se jako impedanční převodník.

Invertující zesilovač

Vstup je připojen přes R1 k invertujícímu vstupu, zatímco druhý vstup je spojen s nulovým potenciálem. K výstupu je připojena zátěž Rz a zpětnovazební rezistor Rzp, který určuje velikost záporné zpětné vazby. Vstupní impedance závisí na velikosti rezistoru R1.

• Základní zapojení invertujícího zesilovače. Pro jednotlivé proudy platí vztahy:
  
• Kompenzace vstupní proudové nesymetrie pomocí rezistoru R2, jehož velikost je rovná paralelní kombinaci R1 a Rzp.
  
• Výpočet zesílení:
  

Sumační (součtový) zesilovač

Rozšířením základního zapojení invertujícího zesilovače o další vstupy vznikne tzv. součtový zesilovač. Společný bod všech sčítacích rezistorů je připojen k invertujícímu vstupu (virtuální zem), proto se součet proudů všech vstupů musí rovnat proudu procházejícímu zpětnovazebním rezistorem Rzp. Kompenzační rezistor Rk, který je nutný pro kompenzaci proudové nesymetrie vstupů vypočítáme jako paralelní spojení všech sčítacích rezistorů. Napěťové zesílení jednotlivých vstupů je dáno poměrem Rzp a rezistorem příslušného vstupu. Protože se jedná o invertující zesilovač je výstupní napětí fázově posunuto o 180° oproti vstupnímu.

Operační zesilovač bez zpětné vazby (komparátor)

Pokud pracuje OZ bez zpětné vazby stačí velmi malé vstupní napětí k tomu aby výstup přešel do saturace (výstupní napětí se blíží napájecímu). Saturace je ustálený stav na výstupu, kdy se OZ otevře naplno a na další zvyšování vstupního napětí již nereaguje. Podle toho, ke kterému vstupu a s jakou polaritou přivedeme napětí objeví se na výstupu kladné nebo záporné napětí. V praxi se obvykle na jeden vstup přivádí napětí referenční a na druhý vstup napětí neznámé.

Schmittův klopný obvod s OZ

Používá se k úpravě střídavého signálu libovolného průběhu na obdélníkový (v číslicové technice). Na rozdíl od předchozích zapojení není zavedena žádná záporná zpětná vazba, ale naopak kladná pomocí rezistoru Rzp. Tato zpětná vazba stabilizuje stav OZ (zavádí hysterezi). Na rozdíl od komparátoru nedochází ke změně výstupního napětí okamžitě se změnou vstupního napětí, ale je třeba většího napětí k překonání napětí na neinvertujícím vstupu. Napětí se na neinvertující vstup dostává přes Rzp a jeho velikost závisí na poměru Rzp/R1.

Integrátor

Na rozdíl od všech předchozích zapojení je v obvodu zpětné vazby namísto rezistoru zapojen kondenzátor. To způsobí, že po přivedení vstupního napětí se kondenzátor postupně nabíjí. Rychlost nabíjení závisí kromě kapacity kondenzátoru také na velikosti R1. Přivedeme-li na vstup napětí, jehož úroveň se periodicky skokově mění, na výstupu se objeví trojúhelníkový průběh.

Souhrn základních poznatků

• Napájecí napětí bývá zpravidla symetrické tzn. kladné a záporné stejné velikosti se společným nulovým potenciálem (GND).
• Při symetrickém napájení odpovídá nulovému vstupnímu napětí (rozdílovému napětí vstupů) nulové výstupní napětí.
• Při velkém zesílení nebo při zesilování stejnosměrných napětí je třeba korigovat napěťovou a proudovou nesymetrii. Způsob je různý podle typu OZ a konkrétní zapojení lze nalézt v katalogu.
• Na vstupy OZ lze přivést kladné nebo záporné napětí většinou jen do výše napětí napájecích.
• Jestliže se nachází nebo převažuje napětí na neinvertujícím vstupu je výstupní napětí ve fázi (tzn. fázový posun je 0°).
• Jestliže se nachází nebo převažuje napětí na invertujícím vstupu je výstupní napětí v protifázi (tzn. fázový posun je 180°).
• O velikosti zesílení rozhoduje výhradně poměr dvou impedancí (odporů) zpětnovazební a vstupní.
• Zpětná vazba do invertujícího vstupu je záporná, do neinvertujícího vstupu kladná.
• Kmitočtová kompenzace bývá u většiny OZ vnitřní (ve vnitřní struktuře OZ), u ostatních se nastavuje vnějšími prvky RC v závislosti na zesílení a podle doporučení výrobce.
• Dvě základní skupiny OZ se liší podle technologie výroby vstupních polovodičových prvků (bipolární nebo FET).

Příklady praktického použití

Neinvertující a invertující zesilovač - předzesilovač pro hudební nástroje. V zapojení jsou použity speciální nízkošumové OZ. Vstupní konektor pomocí zabudovaného rozpínacího kontaktu zkratuje (není-li zasunut konektor) vstup OZ s kostrou a zamezuje pronikání rušivých signálů. IO1-A pracuje jako neinvertující zesilovač, jehož zesílení je možné nastavit pomocí potenciometru P1. IO1-B a IO2-B jsou zapojeny jako invertující zesilovače a přepínač „fáze“, připojený na výstup umožňuje volit fázový posun 0 nebo 180º. Vazební kondenzátory C1, C4, C6 a C7 oddělují stejnosměrnou složku od střídavé. Kondenzátory C2 a C5 omezují zesílení vysokých kmitočtů. Kondenzátor C3 přivádí nulový potenciál na spodní vývod R2 (pouze pro střídavý signál). K napájení je použito symetrické napětí ± 15 V a jeho připojení k OZ není ve schématu zakresleno.

Diferenční (rozdílový) zesilovač - mikrofonní předzesilovač se symetrickým vstupem. Uvedené zapojení se běžně používá pro potlačení rušivých napětí, která by se mohla indukovat do přívodního kabelu. Mikrofon je připojen dvoužilovým stíněným kabelem. Pro případ použití kondenzátorového mikrofonu je vstup vybaven zdrojem + 48 V, který se zapíná spínačem na zadním panelu. Připojení je signalizováno LED diodou. V zapojení je použit speciální nízkošumový OZ. Kondenzátor C3 zabraňuje pronikání rušivých vysokofrekvenčních napětí na vstup zesilovače. Zenerovy diody D1 až D4 chrání vstupy OZ před vyšším napětím. P1, R7 a C7, zapojené ve zpětné vazbě slouží k regulaci zesílení. R5, R6, C5 a C6 slouží k dodatečné filtraci napájecího napětí (± 15 V).

Komparátor - zapojení optického indikátoru úrovně nízkofrekvenčního signálu, které se často používá v zesilovačích nebo mixážních pultech. Vstupní OZ je zapojen jako aktivní usměrňovač. Diody D1 a D2 jsou zapojeny v obvodu záporné zpětné vazby a jejich odpor (a tím i zesílení OZ) se mění podle polarity napětí. Usměrněné napětí je filtrováno pomocí R3 a C1. Dále je přivedeno na neinvertující vstupy komparátorů IO2-A až IO2-D. Na invertující vstupy je přiváděno referenční napětí z děliče složeného z rezistorů R4 až R8. Při zvyšování vstupního střídavého napětí se tedy postupně rozsvěcují LED diody D3 až D6. D3 se rozsvítí, překročí-li napětí na neinvertujících vstupech napětí U1 (+Ucc/5, tj. 3 V). Protože jsou hodnoty všech rezistorů děliče stejné, je průběh indikace lineární. LED diody jsou zapojeny v sérii a napájeny ze zdroje proudu, tvořeného tranzistorem T1. Výhodou tohoto řešení je konstantní hodnota proudu, protékajícího LED diodami, bez ohledu na to, kolik z nich svítí. Indikátor je napájen symetrickým napájecím napětím ± 15 V.

Schmittův klopný obvod - sloužící k indikaci přehřátí chladiče. Termistor Rt, který je teplotně svázán s chladičem (např. přilepen) reaguje změnou svého odporu na zvyšování teploty. Při překročení cca 90º C dojde k překlopení Schmidtova KO a rozsvítí se indikační LED dioda. Tranzistor T1 se otevře a může například spustit ventilátor, odpojit reproduktory zesilovače, nebo snížit velikost vstupního napětí zesilovače. Rezistor R4 zavádí hysterezi (zabraňuje blikání LED diody a častému spínání T1). Napájecí napětí je stabilizováno zenerovou diodou D2 s rezistorem R6 a filtrováno kondenzátorem C1. Rezistory R2 a R3 vytváří referenční napětí na neinvertujícím vstupu OZ.

Integrátor a komparátor - kombinací komparátoru a integrátoru lze vytvořit velmi jednoduchý generátor funkcí, který je schopen kmitat ve velmi širokém rozsahu frekvencí (0,1 Hz až 1 MHz). Frekvenci generátoru určuje RC člen složený z rezistoru R3 a kondenzátoru C. Doba jednoho kmitu (perioda) je dána vztahem:

Amplituda výstupního napětí závisí jak na napájecím napětí, tak i na poměru R1/R2. Vypočítá se ze vztahu:

Princip funkce:

Schéma zapojení: